W niniejszej pracy przeprowadzono identyfikacje warunków hydrodynamicznych podczas mieszania cieczy nienewtonowskiej mieszadłem wibracyjnym. Ocenę przydatności tego procesu zweryfikowano poprzez wykonanie analizy przepływu wybranych cieczy nienewtonowskich w mieszalniku wibracyjnym. Analizy wykonane zostały za pomocą badań anemometrycznych PIV oraz symulacji CFD hydrodynamiki przepływu cieczy nienewtonowskich. Oznaczało to, wyznaczenie rozkładu i wartości prędkości cieczy w mieszalniku, w zależności od zastosowanego mieszadła tarczowego oraz częstotliwości jego wibracji (przy stałej amplitudzie).
Badanymi cieczami nienewtonowskimi były wybrane wodne roztwory politlenku etylenu PEO (ang. Poly Ethylene Oxide), w stężeniach kolejno: 1,2%, 2,4%, 3,6%, 4,8% wag. Stężenie roztworów było celowo zwiększane, aby sprawdzić wpływ wzrastającej lepkości cieczy na wartości średnich rozkładów prędkości pól prędkości przepływu cieczy nienewtonowskich w mieszalniku w dwóch kierunkach: promieniowy, osiowy. Badaniu poddano również wpływ zastosowanych mieszadeł tarczowych na hydrodynamikę przepływu w mieszalniku wibracyjnym. Podczas pomiarów dla każdego z badanych stężeń PEO zastosowano cztery mieszadła tarczowe, wszystkie o tej samej średnicy równej D=0,238[m]. Zastosowane mieszadła to: mieszadło pełne, perforowane o stopniu perforacji Փ=0,15, perforowane o stopniu perforacji Փ=0,25, perforowane o stopniu perforacji Փ=0,35.
Zakres niniejszej pracy obejmował:
- wstępne badania reologiczne wodnego roztworu politlenku etylenu o stężeniu cPEO: 1,2%, 2,4%, 3,6%, oraz 4,8% wag,
- numeryczną analizę hydrodynamiki przepływu cieczy w mieszalniku wibracyjnym za pomocą komputerowej symulacji procesów przepływowych CFD,
- przystosowanie stanowiska badawczego do przeprowadzenia anemometrycznych pomiarów przepływu z zastosowaniem laserowej anemometrii obrazowej PIV oraz eksperymentalna analiza hydrodynamiki przepływu cieczy w mieszalniku wibracyjnym.
Modelowanie matematyczne przepływu cieczy w mieszalniku wibracyjnym zrealizowano za pomocą numerycznej symulacji komputerowej CFD w programie Ansys Fluent. W obu przypadkach zastosowano dokładnie ten sam układ współrzędnych, aby móc porównać zgodność otrzymanych wartości prędkości. Pomiary oraz symulacje przepływu cieczy nienewtonowskiej w mieszalniku wibracyjnym wykonano w temperaturze 20oC. Ostatecznie, w celu sprawdzenia poprawności zastosowanego modelu numerycznego, wyniki badań PIV zestawiono z wynikami symulacji CFD dla wybranego wodnego roztworu politlenku etylenu (cPEO: 2,4%).
In this study, hydrodynamic conditions were identified during mixing of a non-Newtonian liquid with a vibromixer. An assessment of practicality of this process was verified by analyzing the flow fields of selected non-Newtonian liquids in a vibromixer. The analyses were performed using PIV measurements and CFD simulations of the hydrodynamics of non-Newtonian fluid flow. This meant determination of the distribution and values of the fluid velocities in the mixer, depending on the disc mixer used and its vibration frequency (at a constant amplitude).
The tested non-Newtonian fluids were aqueous solutions of polyethylene oxide PEO (Polyethylene Oxide), in the following concentrations: 1.2%, 2.4%, 3.6%, and 4.8% by weight. The concentrations of the solutions were changed to determine the effect of increasing fluid viscosity on the values of average velocity distributions of the non-Newtonian fluid. Two components of the velocity fields in the mixer were measured: radial and axial. The influence of different discs on the hydrodynamics of flow was also examined. Four different discs were used for each of the tested PEO concentrations, all with the same diameter of D = 0.238 [m]. The following discs were used: full disc, perforated disc with a degree of perforation Փ= 0.15, perforated disc with a degree of perforation Փ = 0.25, perforated disc with a degree of perforation Փ = 0.35.
The scope of this work included:
- rheological tests of aqueous solutions of polyethylene oxide with cPEO concentrations of 1.2%, 2.4%, 3.6%, and 4.8% by weight,
- numerical analyses of fluid flow in a vibrating mixer using CFD computer simulations,
- adaptation of the research stand and experimental flow velocity measurements in a vibromixer using PIV.
Mathematical modeling of fluid flow in a vibromixer was carried out using CFD simulations carried out in the Ansys Fluent program. Measurements and simulations of non-Newtonian fluid flow in a vibromixer were performed at a temperature of 20oC. In both cases, the same coordinate system was used, enabling to compare the consistency of the obtained velocity fields. Finally, to verify the correctness of the applied numerical model, the results of CFD simulation were compared against the PIV test results s for selected aqueous solution of polyethylene oxide (cPEO: 2.4%).
